A váltakozó feszültségű hálózatról működő félvezetős teljesítményelektronikai berendezések nagy teljesítménytényezőjű energiafelvételének biztosítása a legfontosabb követelmények közé tartozik. Ilyen teljesítményelektronikai berendezések például a korszerű, félvezetős váltakozó feszültségű, ill. egyenfeszültségű szünetmentes áramellátó rendszerek akkumulátortöltői, a különféle technológiai egyenirányítók, ill. frekvenciaváltók, valamint a tápegységek stb.

A váltakozó feszültségű hálózatokra csatlakozó fogyasztók áramfelharmonikusaira érvényes előírásokat - 16 A fázisáram határig - [1-5], ill. e szabványok hatályát a professzionális berendezésekre is kiterjesztő, [6] tartalmazza. A vonatkozó előírások betartása azért fontos, mert a hálózatot nemszinuszos (jelentős felharmonikustartalmú) árammal terhelő fogyasztók nemcsak felesleges veszteségeket hoznak létre, hanem a hálózat impedanciáján keresztül a hálózati feszültség alakját is torzítják, amely a párhuzamosan üzemelő fogyasztók működését zavarhatja.

E cikkben ismertetésre kerülnek a teljesítménytényezővel, ill. a torzítási tényezővel kapcsolatos fogalmak [7], valamint a szrabványok szerinti követelmények, kitérve egy - a teljesítménytényezőt növelő - konkrét kapcsolási elrendezésre, ill. a megvalósított berendezésre.

2. A teljesítménytényező és a torzítási tényező összefüggése

A szinuszos váltakozó feszültségű hálózatra csatlakozó hagyományos áramirányítók (nemlineáris fogyasztók) a hálózatból nem szinuszos áramot vesznek fel.

A szinuszos feszültség és nemszinuszos (felharnonikusokat tartalmazó) áram esetén - mivel hatásos teljesítményt csak a hálózati feszültséggel azonos frekvenciájú áramharmonikus hoz létre - a teljesítménytényező a következőképpen írható le:

ahol:

• I₁ - az alapharmonikus áram effektív értéke
• I_n - az n-edik számú felharmonikus áram effektív értéke
• j₁ - az alapharmonikus áram fázisszöge

(A kifejezést alapharmonikus-tartalomnak, vagy alapharmonikus-tényezőnek hívják, [1, 3] 4. pont.)

Az áramra vonatkoztatott torzítási tényező¹:
(ill. néhány szakirodalomban:
A két tényező tényező kis felharmonikustartalom esetén jó közelítéssel egyenlő.) A teljesítménytényezőt a k_i-vel kifejezve:

Az 1. ábra szemléletesen mutatja a teljesítménytényező változását az alapharmonikus fázisszöge (j₁), ill. az áramtorzítási tényező (k_i) függvényében.

Az [2, 4], ill. az [6] I. táblázata tartalmazza az egyes (páros, ill. páratlan) áramfelharmonikusok legnagyobb megengedett effektív áramértékeit, ezeket az l. táblázat mutatja².

A harmonikus rendszáma, n	A legnagyobb megengedett harmonikus áram, A
1. táblázat. A harmonikus áramok megengedett határértékei
Páratlan harmonikusok
3	2,3
5	1,14
7	0,77
9	0,40
11	0,33
13	0,21
15£n£39	0,15x15 In
Páros harmonikusok
2	1,08
4	0,43
6	0,3
8£œn£œ40	0,23x8 In

3. Az aktív teljesítménytényező-korrektor

A váltakozó feszültségű hálózatra közvetlenül csatlakozó áramirányítók teljesítménytényező-korrektor nélkül a legtöbb esetben, ill. üzemállapotban nem teljesítik a szabványok áramfelharmonikusokra vonatkozó előírásait, ezért a korszerű áramirányítókat a szabvány előírásait teljesítő teljesítménytényező-korrektorral kell ellátni [8, 9, 10].

A leggyakrabban alkalmazott egyfázisú teljesítménytényező-korrektor felépítését a 2. ábra mutatja.

A kapcsolás főáramköre egy záróüzemű feszültségnövelő (boost) konverter alapkapcsolás, míg vezérlő-szabályozó áramköre értéktartó feszültségszabályozásnak alárendelt áramkövető szabályozás.

Az áramkövető szabályozás vezetőjele az U_be hálózati feszültségből a V₁-V₄ diódás hídkapcsolással egyenirányított kétütemű feszültség (U_be), amely a szorzóáramkör x₁ bemenetére jut. Az x₂ bemenetre a kimeneti feszültség állandóságát biztosító értéktartó szabályozás kimenőjele kerül. A szorzóáramkör kimenőjele az áramszabályozó egységen keresztül úgy vezérli a V₅ kapcsolóelemet (jelen esetben a térvezérlésű teljesítménytranzisztort), hogy a kimeneti feszültség állandósága mellett az L fojtótekercs árama az x₁ bemenetre csatlakozó feszültséghez hasonló legyen.

A kapcsolás jellemző jelalakjait mutatja a 3. ábra.

A 3. ábrán látható, hogy az L fojtótekercs árama (i_L) a V₅, kapcsolóelem be-, vagy kikapcsolt állapotától függően növekvő, ill. csökkenő áramszakaszokból áll, ill. az i_L áram növekvő áramszakaszait a V₅ térvezérlésű teljesítménytranzisztor, míg a csökkenő áramszakaszokat a V₆ dióda vezeti. Az i_L áram átlagértéke szinuszos, fázishelyzete [a C₂ kondenzátor kis értékű (a gyakorlatban 2...3°-os) fázistolásától eltekintve] megegyezik a bementi feszültség (U_be) fázishelyzetével.

A kapcsolás működéséhez elvileg nem, de a gyakorlatban szükséges a C₂ kondenzátor, amely a tápláló hálózat kis impedanciáját biztosítja. A C₂ kondenzátor - a bemenő áramban (i_be) létrehozott - fázistolását az x_l jel fázishelyzetének megfelelő módosításával lehet kiküszöbölni.

4. A gyakorlati megvalósítások

A PowerQuattro Kft. 1993. évben fejlesztette ki az első, teljesítménytényező-korrektorral ellátott, HPQ 48/40³ típusú, kapcsolóüzemű, modul kialakítású, akkumulátortöltő berendezéseit. Célunk az volt, hogy a HPQ 48/40 típusú akkumulátortöltő fejlesztési eredményeire alapozva olyan akkumulátortöltő/tápegység gyártmánycsaládokat hozzunk létre, amelyek eleget tesznek az 1. táblázat alapján a felharmonikus áramok iránt támasztott követelményeknek.

A HPQ 48/40 típusú berendezések felépítését a 4. ábra mutatja.

Az akkumulátortöltő berendezés két jól elkülöníthető részből áll. Az első rész a 3. ábrán bemutatott kapcsolási elrendezésű, követőszabályozású, 40 kHz maximális működési frekvenciájú aktív teljesítménytényező-korrektor, amelynek kimenetén [a C₁ kondenzátoron] 380 V stabilizált egyenfeszültség jelenik meg. A következő fokozat, amely a galvanikusan leválasztott 48 V névleges kimeneti egyenfeszültséget állítja elő, egy rezgőkörös, 100 kHz maximális működési frekvenciájú, kvázirezonáns frekvenciamodulált átalákító [11,12,13,14]. A kvázirezonáns frekvenciamodulált átalakító előnyös tulajdonsága, hogy a V₈-V₉ kapcsolóelemeken a kapcsolási veszteség minimális, így a hatásfok névleges terhelésnél, a 100 kHz működési frekvencián is mintegy 94%-os. Miután az alkalmazott korszerű félvezető kapcsolóelemek, ill. kapcsolástechnika eredményeképpen névleges terhelés esetén a teljesítménytényező-korrektor is minimum 94%-os hatásfokú, az eredő berendezés hatásfoka nagyobb, mint 88%. Az aktív teljesítménytényezőkorrektor alkalmazásával névleges terhelés esetén a teljesítménytényező 0,98-ná1 nagyobb.

A berendezések MATÁV alkalmazástechnikai vizsgálatát a Magyar Távközlési Részvénytársaság PKI Távközlésfejlesztési Intézete végezte el.

Az 5. ábrán a PKI által a berendezés minősítésekor mért bemenő áram jelalakja, míg a 6. ábrán a bemenő áram mért áramharmonikusai, valamint az 1. táblázatban megadott felharmonikus határáramok vannak feltüntetve.

Mivel a berendezés szabályozóköre a bemeneti feszültséggel fázisban lévő (alapharmonikus) bemenőáramot állít elő - alkalmazva az 1. táblázatban megengedett áramfelharmonikusokat - felrajzolható a cosj₁ = 1 esetére a bemenőteljesítmény függvényében a [2] betartásához szükséges teljesítménytényező (7. ábra szaggatott vonal).

A 7. ábrába folyamatos vonallal berajzolva a berendezés bemeneti teljesítménye függvényében mért teljesítménytényezője látszik, hogy az - az előírások által megkövetett teljesítményhatár határ alatt is - a megkövetelt görbe fölött van.

A PowerQuattro Kft. 1993 óta több - aktív teljesítménytényező-korrektorral ellátott - akkumulátortöltő, ill. tápegységcsaládot fejlesztett ki, ill. gyárt. Ezek a következők.

A HPQ 24/15, HPQ 24/25, HPQ 24/50 típusú 24 V, ill. a HPQ 48/7,5, HPQ 48/15, valamint a HPQ 48/40, 48 V névleges kimeneti feszültségű 7,5, 15, 25, 40, ill. 50 A névleges kimenőáramú akkumulátortöltők/tápegységek elsősorban hírközlési fogyasztók tápáramellátására.
Az SPQ 220/8, SPQ 220/15, SPQ 220/20 típusú, 220 V névleges kimeneti feszültségű 8, 15, ill. 20 A névleges kimenőáramú akkumulátortöltők elsősorban erőművi, áramszolgáltatói segédüzemi áramellátási célokra.
Az SPQ 336/8, SPQ 336/15, valamint az SPQ típusú 336 V névleges kimeneti feszültségű 8, 15, ill. 20 A névleges kimenőáramú akkumulátortöltők a 336 V névleges közbensőköri feszültségű komplett szünetmentes egyenfeszültségű és/vagy váltakozó feszültségű áramellátó rendszerek számára.

Az egyes egységeket a kimeneti teljesítmény növelésére, vagy a szükséges redundancia kialakítására párhuzamosan lehet kapcsolni úgy, hogy a terhelőáramot névleges kimeneti teljesítményük arányában osztják. Ez azt jelenti, hogy azonos felépítésű, ill. azonos kimeneti feszültségű, de eltérő névleges kimenőáramú berendezéseket is lehet párhuzamosan üzemeltetni. A kifejlesztett és gyártott akkumulátortöltő családok mindegyik tagja alkalmas - szeleppel zárt - akkumulátorok töltésére, ill. távfelügyeleti rendszerrel való kommunikációra.

A mérési eredményekre visszatérve megállapítható, hogy tervezési elgondolásaink helyességét a mért adatok bizonyítják, amelyekből látható, hogy viszonylag egyszerű felépítésű energiaátalakítókkal megvalósítható a szinuszos, kis áramtorzítási tényezőjű áramfelvétel.

További célunk, hogy - az általunk kifejlesztendő berendezéseknél - nagyobb egységteljesítmények esetén is megvalósítsuk a nagy teljesítménytényezőjű hálózati áramfelvételt.

Lábjegyzet

¹ A külföldi szakirodalmakban a ki tényezőt THD-nak (Total Harmonic Distortion) jelölik.
² A táblázatban szereplő maximálisan megengedett áramfelharmónikusok, ill. a I_eff = 16 A áramértékhez tartozó áramfelharmónikusok 19%-os k_i értéket határoznak meg.
³ Az első szám a névleges kimeneti feszültséget, míg a második szám a névleges kimenőáramot jelöli.

Irodalom

• [1] MSZ EN 6055-1 Háztartási és hasonló jellegű villamos készülékek által keltett hálózati zavarok. Fogalommeghatározások.
• [2] MSZ EN 60555-2 Háztartási és hasonlójellegű villamos készülékek által keltett hálózati zavarok. Harmonikusok.
• [3] IEC STANDARD Publication 555-1 1982. "Disturbances in supply systems caused by household appliances and similar electrical equipment." Part 1: Definitions
• [4] IEC STANDARD Publication 555-2 1982. "Disturbances in supply systems caused by household appliances and similar electrical equipment." Part 2: Harmonics
• [5] IEC STANDARD Publication 555-2 "Disturbances in supply systems caused by household appliances and similar electrical equipment." Part 2: Harmonics. Amendment 1988.
• [6] IEC 77A. "Low frequency phenomena" 1993-09-30.
• [7] Csáky-Ganszky-Ipsits-Marti: Teljesítményelektronika. Műszaki Könyvkiadó, 1976.
• [8] Jamess J. Lo Cascio (MicroLinear Corp. San Jose California): "The Use of a New SMPS Array to Irnplement a Power Factor Controller IC". 1989. High Frequency Power Conversion.
• [9] M. Herfurth: "Aktives Oberschwingungsfilter rnit konstanter Betriebsfrequenz und 600 W Ausgangsleistung". Siemens PD 22 9002. 1990.
• [10] Mark J. Kocher and Robert L. Steigerwald (General Electric Company): "An AC-to-DC Converter with High Quality Input Waveforms". 1987.
• [11] Bill Andreycak (UNITRODE): "1 MHz, 150 W Resonant Converter" UNITRODE Linear Integrated Circuits Data and Applications Handbook, 1990.
• [12] James A. Martin,. David W Clemans, David M. Landis (Martin Marietta Denver Aerospace): "New Two-Switch Forward Resonant Topology". 1986. High Frequency Power Conversion.
• [13] Steve Freeland (Rockwell International Corporation): "An Introduction to the Principles amd Features of Resonant Power Conversion." Recent Developments in Resonant Power Conversion, 1988.
• [14] Fred C. Lee (Virginia Power Electronics Center): "Zero-Voltage Switching Techniques in DC-DC Converter Circuits". 1987. High Frequency Power Conversion.